Mikroobvod vysokofrekvenčního zesilovače. Vysokofrekvenční zesilovače na mikroobvodech

Jednoduchý tranzistorový zesilovač může být dobrým nástrojem pro studium vlastností zařízení. Obvody a konstrukce jsou poměrně jednoduché, můžete si zařízení vyrobit sami a zkontrolovat jeho provoz, provést měření všech parametrů. Díky moderním tranzistorům s efektem pole je možné vyrobit miniaturní mikrofonní zesilovač doslova ze tří prvků. A připojte jej k osobnímu počítači, abyste zlepšili parametry záznamu zvuku. A účastníci rozhovoru během rozhovorů uslyší vaši řeč mnohem lépe a jasněji.

Kmitočtové charakteristiky

Nízkofrekvenční zesilovače (audio) najdeme téměř ve všech domácích spotřebičích - stereo systémech, televizorech, rádiích, magnetofonech a dokonce i osobních počítačích. Existují však také RF zesilovače založené na tranzistorech, lampách a mikroobvodech. Rozdíl mezi nimi je v tom, že ULF umožňuje zesílit signál pouze na audio frekvenci, kterou vnímá lidské ucho. Tranzistorové audio zesilovače umožňují reprodukovat signály s frekvencemi v rozsahu od 20 Hz do 20 000 Hz.

V důsledku toho může i to nejjednodušší zařízení zesílit signál v tomto rozsahu. A dělá to co nejrovnoměrněji. Zisk závisí přímo na frekvenci vstupního signálu. Graf těchto veličin je téměř přímkový. Pokud je na vstup zesilovače přiveden signál s frekvencí mimo rozsah, kvalita provozu a účinnost zařízení se rychle sníží. Kaskády ULF jsou sestaveny zpravidla pomocí tranzistorů pracujících v rozsahu nízkých a středních frekvencí.

Provozní třídy audio zesilovačů

Všechna zesilovací zařízení jsou rozdělena do několika tříd v závislosti na stupni průtoku proudu kaskádou během doby provozu:

1. Třída „A“ - proud teče nepřetržitě po celou dobu provozu zesilovacího stupně.
2. V pracovní třídě "B" proud teče půl periody.
3. Třída „AB“ znamená, že proud protéká stupněm zesilovače po dobu rovnající se 50-100 % periody.
4. V režimu „C“ protéká elektrický proud méně než polovinu provozní doby.
5. Režim ULF „D“ se v radioamatérské praxi používá poměrně nedávno - něco málo přes 50 let. Ve většině případů jsou tato zařízení realizována na bázi digitálních prvků a mají velmi vysokou účinnost – přes 90 %.

Přítomnost zkreslení v různých třídách nízkofrekvenčních zesilovačů

Pracovní oblast tranzistorového zesilovače třídy „A“ se vyznačuje poměrně malým nelineárním zkreslením. Pokud příchozí signál chrlí impulsy vyššího napětí, způsobí to nasycení tranzistorů. Ve výstupním signálu se v blízkosti každé harmonické začnou objevovat vyšší (až 10 nebo 11). Z tohoto důvodu se objevuje kovový zvuk, charakteristický pouze pro tranzistorové zesilovače.

Pokud je napájení nestabilní, výstupní signál bude modelován v amplitudě blízko síťové frekvence. Zvuk bude tvrdší na levé straně frekvenční odezvy. Čím lepší je ale stabilizace napájení zesilovače, tím složitější je konstrukce celého zařízení. ULF pracující ve třídě „A“ mají relativně nízkou účinnost – méně než 20 %. Důvodem je, že tranzistor je neustále otevřený a neustále jím protéká proud.

Pro zvýšení (i když nepatrně) účinnosti můžete použít push-pull obvody. Jednou nevýhodou je, že půlvlny výstupního signálu se stávají asymetrickými. Pokud přejdete z třídy „A“ do „AB“, nelineární zkreslení se zvýší 3-4krát. Ale účinnost celého obvodu zařízení se bude stále zvyšovat. Třídy ULF „AB“ a „B“ charakterizují nárůst zkreslení při poklesu úrovně signálu na vstupu. Ale i když zvýšíte hlasitost, nepomůže to úplně se zbavit nedostatků.

Práce ve středních třídách

Každá třída má několik odrůd. Například existuje třída zesilovačů „A+“. V něm pracují vstupní tranzistory (nízké napětí) v režimu „A“. Ale vysokonapěťové instalované v koncových stupních pracují buď v „B“ nebo „AB“. Takové zesilovače jsou mnohem ekonomičtější než zesilovače pracující ve třídě „A“. Je zde znatelně nižší počet nelineárních zkreslení – ne vyšší než 0,003 %. Lepších výsledků lze dosáhnout použitím bipolárních tranzistorů. Princip činnosti zesilovačů založených na těchto prvcích bude diskutován níže.

Ve výstupním signálu je však stále velký počet vyšších harmonických, což způsobuje, že se zvuk stává charakteristicky kovovým. Existují také zesilovací obvody pracující ve třídě „AA“. V nich jsou nelineární zkreslení ještě menší – až 0,0005 %. Ale hlavní nevýhoda tranzistorových zesilovačů stále existuje - charakteristický kovový zvuk.

"Alternativní" designy

Neznamená to, že jsou alternativní, ale někteří specialisté zabývající se návrhem a montáží zesilovačů pro kvalitní reprodukci zvuku stále častěji dávají přednost elektronkovým konstrukcím. Elektronkové zesilovače mají následující výhody:

1. Velmi nízká úroveň nelineárního zkreslení ve výstupním signálu.
2. Existuje méně vyšších harmonických než u tranzistorových konstrukcí.

Je tu ale jedna obrovská nevýhoda, která převyšuje všechny výhody – rozhodně je potřeba nainstalovat zařízení pro koordinaci. Faktem je, že elektronkový stupeň má velmi vysoký odpor - několik tisíc ohmů. Ale odpor vinutí reproduktoru je 8 nebo 4 Ohmy. Chcete-li je koordinovat, musíte nainstalovat transformátor.

To samozřejmě není příliš velký nedostatek - existují i ​​tranzistorová zařízení, která používají transformátory pro přizpůsobení koncového stupně a reproduktorové soustavy. Někteří odborníci tvrdí, že nejúčinnějším obvodem je hybridní - který používá jednopólové zesilovače, které nejsou ovlivněny negativní zpětnou vazbou. Navíc všechny tyto kaskády pracují v režimu ULF třídy „A“. Jinými slovy, výkonový zesilovač na tranzistoru se používá jako opakovač.

Kromě toho je účinnost takových zařízení poměrně vysoká - asi 50%. Neměli byste se však soustředit pouze na ukazatele účinnosti a výkonu - neindikují vysokou kvalitu reprodukce zvuku zesilovačem. Mnohem důležitější je linearita charakteristik a jejich kvalita. Proto je třeba věnovat pozornost především jim, a ne moci.

Jednopólový ULF obvod na tranzistoru

Nejjednodušší zesilovač, postavený podle obvodu se společným emitorem, pracuje ve třídě „A“. Obvod využívá polovodičový prvek s n-p-n strukturou. V kolektorovém okruhu je instalován odpor R3 omezující tok proudu. Kolektorový obvod je připojen ke kladnému napájecímu vodiči a obvod emitoru je připojen k zápornému vodiči. Pokud použijete polovodičové tranzistory s p-n-p strukturou, obvod bude úplně stejný, jen je potřeba změnit polaritu.

Pomocí oddělovacího kondenzátoru C1 je možné oddělit střídavý vstupní signál od zdroje stejnosměrného proudu. V tomto případě kondenzátor není překážkou toku střídavého proudu po dráze báze-emitor. Vnitřní odpor přechodu emitor-báze spolu s odpory R1 a R2 představují nejjednodušší dělič napájecího napětí. Rezistor R2 má obvykle odpor 1-1,5 kOhm - nejtypičtější hodnoty pro takové obvody. V tomto případě je napájecí napětí rozděleno přesně na polovinu. A pokud obvod napájíte napětím 20 voltů, můžete vidět, že hodnota proudového zesílení h21 bude 150. Je třeba poznamenat, že VF zesilovače na tranzistorech jsou vyrobeny podle podobných obvodů, pouze fungují trochu jinak.

V tomto případě je napětí emitoru 9 V a úbytek v části „E-B“ obvodu je 0,7 V (což je typické pro tranzistory na křemíkových krystalech). Uvažujeme-li zesilovač na bázi germaniových tranzistorů, pak v tomto případě bude úbytek napětí v sekci „E-B“ roven 0,3 V. Proud v kolektorovém obvodu bude roven tomu, který teče v emitoru. Vypočítáte jej vydělením napětí emitoru odporem R2 - 9V/1 kOhm = 9 mA. Pro výpočet hodnoty proudu báze je potřeba vydělit 9 mA zesílením h21 - 9 mA/150 = 60 μA. Konstrukce ULF obvykle používají bipolární tranzistory. Jeho princip fungování je odlišný od polních.

Na rezistoru R1 nyní můžete vypočítat hodnotu poklesu - to je rozdíl mezi základním a napájecím napětím. V tomto případě lze základní napětí najít pomocí vzorce - součet charakteristik emitoru a přechodu „E-B“. Při napájení ze zdroje 20 V: 20 - 9,7 = 10,3. Odtud můžete vypočítat hodnotu odporu R1 = 10,3 V/60 μA = 172 kOhm. Obvod obsahuje kapacitu C2, která je nezbytná pro realizaci obvodu, kterým může procházet střídavá složka proudu emitoru.

Pokud nenainstalujete kondenzátor C2, bude variabilní složka velmi omezená. Z tohoto důvodu bude mít takový tranzistorový audio zesilovač velmi nízký proudový zisk h21. Je třeba věnovat pozornost skutečnosti, že ve výše uvedených výpočtech se předpokládalo, že základní a kolektorové proudy jsou stejné. Navíc byl za základní proud považován ten, který proudí do obvodu z emitoru. Vyskytuje se pouze tehdy, je-li na výstup báze tranzistoru přivedeno předpětí.

Je však třeba vzít v úvahu, že kolektorový svodový proud absolutně vždy protéká základním obvodem, bez ohledu na přítomnost předpětí. V obvodech se společným emitorem je svodový proud zesílen nejméně 150krát. Ale obvykle se tato hodnota bere v úvahu pouze při výpočtu zesilovačů založených na germaniových tranzistorech. V případě použití křemíku, kde je proud obvodu „K-B“ velmi malý, je tato hodnota jednoduše zanedbaná.

Zesilovače na bázi tranzistorů MOS

Tranzistorový zesilovač s efektem pole znázorněný na obrázku má mnoho analogů. Včetně použití bipolárních tranzistorů. Proto můžeme za podobný příklad považovat návrh audio zesilovače sestaveného podle obvodu se společným emitorem. Na fotografii je obvod vyrobený podle běžného zdrojového obvodu. R-C připojení jsou sestavena na vstupních a výstupních obvodech tak, aby zařízení pracovalo v režimu zesilovače třídy „A“.

Střídavý proud ze zdroje signálu je oddělen od stejnosměrného napájecího napětí kondenzátorem C1. Tranzistorový zesilovač s efektem pole musí mít nutně hradlový potenciál, který bude nižší než stejná charakteristika zdroje. V zobrazeném schématu je brána připojena ke společnému vodiči přes rezistor R1. Jeho odpor je velmi vysoký - v konstrukcích se obvykle používají odpory 100-1000 kOhm. Tak velký odpor je volen proto, aby nedocházelo k bočnímu posunu vstupního signálu.

Tento odpor téměř neumožňuje průchod elektrického proudu, v důsledku čehož je potenciál brány (při absenci signálu na vstupu) stejný jako potenciál země. U zdroje se ukazuje, že potenciál je vyšší než potenciál země, pouze kvůli poklesu napětí na odporu R2. Z toho je zřejmé, že brána má nižší potenciál než zdroj. A to je přesně to, co je vyžadováno pro normální fungování tranzistoru. Je třeba věnovat pozornost skutečnosti, že C2 a R3 v tomto obvodu zesilovače mají stejný účel jako ve výše uvedeném návrhu. A vstupní signál je posunut vzhledem k výstupnímu signálu o 180 stupňů.

ULF s transformátorem na výstupu

Takový zesilovač si můžete vyrobit vlastníma rukama pro domácí použití. Provádí se podle schématu, které funguje ve třídě „A“. Konstrukce je stejná jako u výše uvedených - se společným emitorem. Jednou z funkcí je, že pro přizpůsobení musíte použít transformátor. To je nevýhoda takového zesilovače zvuku na bázi tranzistoru.

Kolektorový obvod tranzistoru je zatížen primárním vinutím, které vyvíjí výstupní signál přenášený přes sekundár do reproduktorů. Na rezistorech R1 a R3 je namontován dělič napětí, který umožňuje zvolit pracovní bod tranzistoru. Tento obvod dodává předpětí do základny. Všechny ostatní komponenty mají stejný účel jako výše uvedené obvody.

Push-pull audio zesilovač

Nelze říci, že se jedná o jednoduchý tranzistorový zesilovač, protože jeho provoz je trochu komplikovanější než ty, které byly diskutovány dříve. U push-pull ULF je vstupní signál rozdělen do dvou půlvln, které se liší fází. A každá z těchto půlvln je zesílena vlastní kaskádou, vyrobenou na tranzistoru. Po zesílení každé půlvlny jsou oba signály spojeny a odeslány do reproduktorů. Takové složité transformace mohou způsobit zkreslení signálu, protože dynamické a frekvenční vlastnosti dvou tranzistorů, dokonce i stejného typu, se budou lišit.

V důsledku toho je kvalita zvuku na výstupu zesilovače výrazně snížena. Když push-pull zesilovač pracuje ve třídě „A“, není možné reprodukovat komplexní signál ve vysoké kvalitě. Důvodem je, že rameny zesilovače neustále protéká zvýšený proud, půlvlny jsou asymetrické a dochází k fázovým zkreslením. Zvuk se stává méně srozumitelným a při zahřátí se zkreslení signálu ještě zvyšuje, zejména na nízkých a ultranízkých frekvencích.

ULF bez transformátoru

Tranzistorový basový zesilovač vyrobený pomocí transformátoru, navzdory skutečnosti, že konstrukce může mít malé rozměry, je stále nedokonalý. Transformátory jsou stále těžké a objemné, takže je lepší se jich zbavit. Mnohem efektivnější se ukazuje obvod vyrobený na komplementárních polovodičových prvcích s různými typy vodivosti. Většina moderních ULF je vyrobena přesně podle těchto schémat a pracuje ve třídě „B“.

Dva výkonné tranzistory použité v návrhu pracují podle emitorového sledovacího obvodu (společný kolektor). V tomto případě je vstupní napětí přenášeno na výstup bez ztráty nebo zisku. Pokud na vstupu není žádný signál, pak jsou tranzistory na pokraji zapnutí, ale jsou stále vypnuté. Když je na vstup přiveden harmonický signál, první tranzistor se otevře kladnou půlvlnou a druhý je v tuto chvíli v režimu cutoff.

Následkem toho mohou zátěží procházet pouze kladné půlvlny. Ale záporné otevírají druhý tranzistor a úplně vypnou první. V tomto případě se v zátěži objevují pouze záporné půlvlny. V důsledku toho se na výstupu zařízení objeví výkonově zesílený signál. Takový obvod zesilovače využívající tranzistory je poměrně účinný a může poskytnout stabilní provoz a vysoce kvalitní reprodukci zvuku.

ULF obvod na jednom tranzistoru

Po prostudování všech výše popsaných funkcí můžete zesilovač sestavit vlastníma rukama pomocí jednoduché základny prvků. Tranzistor lze použít domácí KT315 nebo jakýkoli z jeho zahraničních analogů - například BC107. Jako zátěž je třeba použít sluchátka s odporem 2000-3000 Ohmů. Na bázi tranzistoru musí být přivedeno předpětí přes odpor 1 MΩ a oddělovací kondenzátor 10 μF. Obvod lze napájet ze zdroje s napětím 4,5-9V, proudem 0,3-0,5A.

Pokud není připojen odpor R1, pak v základně a kolektoru nebude proud. Ale při zapojení dosáhne napětí úrovně 0,7 V a nechá protékat proud asi 4 μA. V tomto případě bude proudový zisk asi 250. Odtud můžete provést jednoduchý výpočet zesilovače pomocí tranzistorů a zjistit kolektorový proud - ukáže se, že se rovná 1 mA. Po sestavení tohoto obvodu tranzistorového zesilovače jej můžete otestovat. K výstupu připojte zátěž - sluchátka.

Dotkněte se prstem vstupu zesilovače - měl by se objevit charakteristický šum. Pokud tam není, pak byla struktura s největší pravděpodobností sestavena nesprávně. Znovu zkontrolujte všechna připojení a hodnocení prvků. Pro zpřehlednění ukázky připojte ke vstupu ULF zdroj zvuku – výstup z přehrávače nebo telefonu. Poslouchejte hudbu a vyhodnocujte kvalitu zvuku.

Spotřeba proudu - 46 mA. Předpětí V bjas určuje úroveň výstupního výkonu (zesílení) zesilovače

Obr. 33.11. Vnitřní struktura a pinout mikroobvodů TSH690, TSH691

Rýže. 33.12. Typické zařazení mikroobvodů TSH690, TSH691 jako zesilovače ve frekvenčním pásmu 300-7000 MHz

a lze jej nastavit v rozsahu 0-5,5 (6,0) V. Koeficient přenosu mikroobvodu TSH690 (TSH691) při předpětí V předpětí = 2,7 V a zatěžovacím odporu 50 Ohmů ve frekvenčním pásmu do 450 MHz je 23 ( 43) dB, až 900(950) MHz - 17(23) dB.

Praktické zařazení mikroobvodů TSH690, TSH691 je na Obr. 33.12. Doporučené hodnoty prvků: C1=C5=100-1000 pF; C2=C4=1000 pF; C3 = 0,01 uF; L1 150 nH; L2 56 nH pro frekvence nepřesahující 450 MHz a 10 nH pro frekvence do 900 MHz. Rezistor R1 lze použít k regulaci úrovně výstupního výkonu (lze použít pro systém automatického řízení výstupního výkonu).

Širokopásmový INA50311 (obr. 33.13), výrobce Hewlett Packard, je určen pro použití v mobilních komunikačních zařízeních, ale i ve spotřební elektronice, například jako anténní zesilovač nebo vysokofrekvenční zesilovač. Pracovní rozsah zesilovače je 50-2500 MHz. Napájecí napětí - 5 V s odběrem proudu do 17 mA. Průměrný zisk

Rýže. 33.13. vnitřní struktura mikroobvodu ΙΝΑ50311

10 dB. Maximální výkon signálu přiváděný na vstup na frekvenci 900 MHz není větší než 10 mW. Hlučnost 3,4 dB.

Typické zapojení mikroobvodu ΙΝΑ50311 při napájení ze stabilizátoru napětí 78LO05 je na Obr. 33.14.

Rýže. 33.14. širokopásmový zesilovač na čipu INA50311

Shustov M. A., Circuitry. 500 zařízení na analogových čipech. - Petrohrad: Věda a technika, 2013. -352 s.

Pro zvýšení citlivosti rádiových přijímacích zařízení se používají rádia, televize, různé vysokofrekvenční zesilovače (UHF). Zapojené mezi přijímací anténu a vstup rozhlasového nebo televizního přijímače takové UHF zvyšují signál přicházející z antény (anténní zesilovače). Použití takových zesilovačů umožňuje zvýšit rádius spolehlivého rádiového příjmu, v případě přijímačů obsažených v transceiverech (rozhlasových stanicích) umožňuje zvýšit provozní dosah, nebo při zachování stejného dosahu snížit vyzařovací výkon. rádiového vysílače.

Na Obr. Obrázek 1 ukazuje schéma širokopásmového UHF na jednom tranzistoru zapojeném podle obvodu se společným emitorem (CE). V závislosti na použitém tranzistoru lze tento obvod úspěšně aplikovat až do frekvencí stovek megahertzů. Hodnoty použitých prvků závisí na frekvencích (spodní a horní) rádiového rozsahu.

Tranzistorové stupně zapojené v obvodu se společným emitorem (CE) poskytují relativně vysoký zisk, ale jejich frekvenční vlastnosti jsou relativně nízké.

Tranzistorové kaskády se společnou bází (CB) mají menší zisk než tranzistorové kaskády s OE, ale jejich frekvenční vlastnosti jsou lepší. To umožňuje použití stejných tranzistorů jako v OE obvodech, ale na vyšších frekvencích.

• Cívka L1 – bezrámová Ø4 mm obsahuje 2,5 závitu drátu PEV-2 o průměru 0,8 mm.
• Tlumivka L2 – RF tlumivka 25 µH.
• Tlumivka L3 – RF tlumivka 100 µH.
• Tranzistory KT3101, KT3115, KT3132…

Zesilovač je namontován na oboustranném sklolaminátu kloubově, délka vodičů a plocha kontaktních ploch by měla být minimální. Při opakování obvodu je nutné zajistit pečlivé stínění zařízení.

Pokud se vám publikace líbila, sdílejte ji se svými přáteli v sociálních záložkách níže...